DE1961704B2 - Vorrichtung zum Messen des von einer rotierenden Welle übertragenen Drehmoments - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Drehmomentes, welches von einer hohlen, elastischen Welle übertragen wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es sind bereits Vorrichtungen zur Messung des von einer rotierenden Welle übertragenen Drehmomentes bekannt, bei denen als Meßsystem ein verdrehbarer Wellenabschnitt benutzt wird; insbesondere sind Vorrichtungen dieser Art bekannt, bei denen mit Ausgleichsübertragern abgetastet wird, bei denen mit Spannungsphasenverschiebung gearbeitet wird oder bei denen die Torsion der Welle mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen gemessen wird.

Die Nachteile der Vorrichtungen, bei denen mit Transformatoren abgetastet wird, besteht darin, daß rotierende Transformatoren erforderlich sind, deren Rotorwicklungen Zentrifugalkräften unterliegen. Da ferner der Luftspalt sehr klein, andererseits jedoch groß genug sein muß, um eine ungehinderte Drehung der Welle zu ermöglichen, hat der Transformator eine schlechte Qualität, was die Messung beeinträchtigt und

die Notwendigkeit mit sich bringt, den Stator und den Rotor dieser Transformatoren mittels Wälzlagern auszurichten, falls die Wellen nicht im Raum starr befestigt sind.

Bei den mit Spannungsphasenverschiebung arbeiten- ϊ den Vorrichtungen treten dieselben Nachteile wie den oben zuletzt erwähnten Vorrichtungen auf, da sie mit Magnetfeldern arbeiten.

Die Vorrichtungen, bei denen das Ungleichgewicht einer Dehnungsmeßbrücke gemessen wird, wozu es bekannt ist (DL-PS 58183), die Differenz aus einem Bezugs-Rechteckimpuls und einem entsprechend dem übertragenen Drehmoment modulierten Meß-Rechteckimpuls zu bilden, haben infolge der Schwierigkeit der Befestigung der Dehnungsmeßstreifen an den Wellen und infolge des Temperatureinflusses sowie aufgrund der Schwierigkeiten der Übertragung der Informationen von dem beweglichen Teil auf den feststehenden Teil der Vorrichtung nur eine geringe Zuverlässigkeit.

Es ist jedoch auch bekannt, das übertragene Drehmoment über den Verdrehungsgrad der durch das Drehmoment auf Torsion beanspruchten Welle gegenüber einer nicht torsionsbeanspruchten Vergleichswelle optisch zu messen. Bei einer derartigen bekannten Vorrichtung (US-PS 31 11 028) ist an beiden Wellen je eine Scheibe mit am Umfang verteilten Fenstern angeordnet, die sich je nach Größe des übertragenen Drehmomentes mehr oder weniger stark überdecken. Ferner sind radial innen von den Fenstern an jeder Scheibe weitere Fenster ausgebildet, von denen die Fenster an der einen Scheibe um so viel größer als die an der anderen Scheibe sind, daß die kleineren Fenster unabhängig von dem übertragenen Drehmoment vollständig wirksam sind, also nicht von dem Rand des zugehörigen größeren Fensters abgedeckt werden. Vor den Scheiben ist eine ringförmige Lichtquelle angeordnet und hinter den Scheiben sind zwei elektro-optische Empfängerelemente angeordnet, die ebenfalls ringförmig sind und von denen jeweils eines einer der Fensterreihen auf den Scheiben zugeordnet ist. Durch Bildung des Verhältnisses der auf die beiden Empfängerelemente auftreffenden, die jeweiligen Fensterreihen passierenden Lichtmenge wird ein Meßwert für das übertragene Drehmoment erhalten, der wegen der Verwendung einer ringförmigen Lichtquelle und ringförmiger Empfängerelemente von Drehzahländerungen der Wellen wie auch weitgehend von Transparenzänderungen des Luftspaltes zwischen der Lichtquelle und den Empfängerelementen unabhängig ist, wenn sowohl die Lichtverteilung der ringförmigen Lichtquelle als auch die Aufnahmeempfindlichkeit beider ringförmiger Empfängerelemente über den ganzen Umfang hin konstant sind auch die beiden verwendeten Empfängerelemente genau koaxial zueinander angeordnet und mit hoher Genauigkeit aufeinander geeicht sind. Dies führt jedoch für genaue Meßergebnisse zu einem hohen Aufwand.

Bei einer anderen bekannten optischen Meßvorrichtung (US-PS 25 19 378), welche die Merkmale aus dem Oberbegriff des Anspruches 1 aufweist und zum Messen bo der Viskosität einer Flüssigkeit dient, ist der Zeiger von einer Scheibe gebildet, auf welcher im Bereich des Fensters der anderen Scheibe ein weißes Markierungsfeld auf schwarzem Grund gebildet ist, so daß im Fenster der anderen Scheibe eine weiße und eine <>s schwarze Fläche sichtbar sind, deren jeweiliger Anteil an der Gesamtfläche des Fensters ein Maß für das übertragene Drehmoment ist. Das von der Lichtquelle auf das Fenster gestrahlte Licht wird auf das elektro-optische Empfängerelement reflektiert, so daß sich die reflektierte Lichtmenge je nach dem Anteil der weißen Fläche an der Fensterfläche ändert. Da aber die Zeitfolge der bei jedem Durchgang des Fensters durch den Meßstrahl empfangenen Impulse sich mit der Wellendrehzahl ändert, ist die pro Zeiteinheit am Empfängerelement erhaltene Lichtmenge und daher auch der Meßwert selbst von Änderungen der Wellendrehzahl abhängig.

Außerdem ist der erhaltene Meßwert auch abhängig von Änderungen der Transparenz des Luftspaltes zwischen dem optischen Meßgerät und den Scheiben, so daß beispielsweise beim Auftreten von Rauch oder Dampf das Meßergebnis ebenfalls entsprechend fehlerhah wird.

Demgegenüber wird durch die Erfindung die Aufgabe gelöst, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art in einfacher Weise so auszubilden, daß der Meßwert sowohl von DrehzahJänderungen als auch Transparenzänderungen der Luft im Meßspalt wenigstens überwiegend unabhängig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelösu

Da erfindungsgemäß der Meßwert auf die Zeitdauer der beiden die beiden Fensterbereiche passierenden Lichtimpulse bei jedem Durchgang des Fensters durch den Meßstrahl bezogen wird und aus dem Verhältnis der Differenz der Zeitdauer der beiden Impulse zu ihrer Summe gebildet wird, ist der bei jedem Durchgang des Fensters erhaltene Meßwert von Drehzahländerungen der Wellen und auch von Transparenzänderungen des Luftspaltes zwischen der Lichtquelle und dem Empfängerelement weitgehend unabhängig, was weiter unten noch zusätzlich erläutert wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich daher zur Überwachung des von einer Welle übertragenen Drehmomentes beispielsweise an Dampfturbinen veränderlicher Drehzahl und unter veränderlichen optischen Meßbedingungen.

Vorzugsweise werden an einem optisch-elektronischen Abtastorgan, vorzugsweise einem Fototransistor, zwei gleich große und einander entgegengesetzte Signale entnommen, die parallel in einem zwei Eingänge und zwei Ausgänge aufweisenden Verstärker verstärkt werden. Dieser Verstärker ist über ein verdrehtes Kabel mit einem in einem Abstand angeordneten Differentialverstärker mit hohem Verstärkungsgrad verbunden.

Die beiden entgegengesetzten Signale mischen sich in dem Differentialverstärker, so daß man an dessen Austritt ein Rechtecksignal erhält, dessen Dauer dem Zeitintervall zwischen den Punkten entspricht, an denen sich die aufsteigenden und absteigenden Flanken zu Beginn und am Ende der beiden gleich großen und einander entgegengesetzten, gleichzeitig in den Differentialverstärker eintretenden Signale kreuzen.

Die Neigungen der Flanken und die Höhe dieser Signale und ihrer Umkehrungen können bei stabilisierter Speisespannung von der Intensität des Photonenflusses, der auf den diese Signale erzeugenden Fototransistor auftrifft, d. h. von der Durchsichtigkeit des rechteckigen Fensters sowie aufgrund der Zeitkonstanten der Schaltung von der Drehgeschwindigkeit beeinflußt sein, wenngleich dieser Einfluß meist vernachlässigbar ist.

Da der Differentialverstärker anspringt und stehenbleibt, wenn sich die Flanken der entgegengesetzten Signale kreuzen, bewirkt eine Änderung der Neigung

oder der Höhe dieser Signale folglich eine Änderung der Dauer der Rechtecksignale.

Zur Vermeidung dieses Nachteils kann den Signalen und ihren Umkehrungen mit Hilfe eines zwischen dem Ausgang und dem Eingang des ersten Verstärkers vorgesehenen Rückkopplungskreises eine mittlere Kreuzungshöhe verliehen werden. Eine derartige Schaltung läßt jedoch weder das optisch-elektronische Abtastorgan noch die den ersten Verstärker mit dem Differentialverstärker verbindende verdrehte Leitung noch diesen Differentialverstärker an der von ihr vorgenommenen Korrektur teilnehmen.

Um eine Gesamtkorrektur aller von dem optischelektronischen Abtastorgan auf den Differentialverstärker übertragenen Signale zu erreichen, kann in dem Differentialverstärker der Zeitabstand zwischen den Punkten, an welchen sich die Flanken der diesem Verstärker zugeführten Signale kreuzen, in hohem Maß konstant gehalten werden.

Zu diesem Zweck ist der Ausgang des Differentialverstärkers mit der Polarisierungseleketrode des optischelektronischen Abtastorgans über einen ein Verstärkerund Integrationsorgan enthaltenden Rückkopplungskreis verbunden.

Auf diese Weise erhält die Polarisierungselektrode als 2^r> Korrektursignal eine mittlere Spannung, die zu der die Gesamtbreite des Fensters angebenden Summe der beiden aufeinanderfolgenden Signale proportional und zu dem zwei aufeinanderfolgende Signalgruppen voneinander trennenden Zeitintervall umgekehrt pro- ίο portional ist, wodurch die Schaltung von der Drehgeschwindigkeit der Welle unabhängig wird.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform enthält der Rückkopplungskreis am Ausgang des Differentialverstärkers einen Verstärker und einen darauffol- J5 genden Impulsbegrenzer, der das Ausgangssignal dieses Verstärkers oben und unten begrenzt, wobei die mittlere Höhe dieses begrenzten Ausgangssignals mit Hilfe einer regelbaren Bezugsspannung eingestellt wird. Auf diese Weise wird das Korrektursignal von der Energiehöhe der aus dem Differentialverstärker austretenden Signale unabhängig gemacht.

Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird. In dieser Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch die Anordnung der koaxialen Wellen, der Scheibe und der Zeiger,

F i g. 2a, 2b, 2c Schnitte durch optische Abtastorgane, die die aus der Teilung des Fensters durch den Zeiger sich ergebenden Signale bilden,

Fig.3 eine in Richtung des Pfeils III von Fig. 1 gesehene Seitenansicht eines Teils der das Fenster tragenden Scheibe und des Zeigers,

F i g. 4 ein theoretisches Diagramm der von dem lichtempfindlichen Abtastorgan gelieferten Signale,

F i g. 5 ein vereinfachtes Schaltbild der elektronischen Schaltungen,

Fig.6a bis 6f Diagramme der Eingangssignale und der Ausgangssignale der die von den beiden Fensterab- t>o schnitten gelieferten Signale voneinander trennenden Matrix,

Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie VII-VII von Fig.1,

Fig. 8 eine Einzelheit der in Fig. 5 dargestellten h^ri Schaltung,

Fig.9 ein Diagramm, das die Betriebsweise eines Teils der in F i g. 5 dargestellten Schaltung erläutert.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform wird eine Antriebswelle M über eine Hohlwelle 1 mit einer Empfangswelle R verbunden. Zu diesem Zweck sind einerseits der Flansch la mit dem Flansch 3M und andererseits der Flansch \b mit der Scheibe 4 und dem Flansch 3R mittels Bolzen 2 befestigt.

In der Scheibe 4 sind beispielsweise drei rechteckige, in regelmäßigen Abständen voneinander angeordnete Fenster 5 von genau bestimmter Form und Abmessung ausgespart.

Koaxial zur Hohlwelle 1 ist eine zweite starre und vorzugsweise ebenfalls hohle Welle 7 angeordnet, die an der mit der Antriebswelle M in Berührung stehenden Hohlwelle 1 über einen dehnbaren, geschlitzten Hohlkegel 8 befestigt ist, in welchem ein voller Kegel 10 sitzt, der mit Hilfe einer Mutter 11 in den Hohlkegel 8 eingepreßt werden kann.

In einer gewissen Entfernung von dieser Verbindung ist die Welle 7 in der Hohlwelle 1 in einem Kugellager 9 gelagert und mit einer Scheibe 6 verbunden, auf welcher in regelmäßigen Abständen eine der Anzahl der Fenster entsprechende Anzahl an zahnförmigen Zeigern 12 vorgesehen ist. In dieser Scheibe 6 sind ferner ausgeweitete Öffnungen 6a vorgesehen, die einen freien Durchgang der Bolzen 2 und eine freie Drehbewegung der Scheiben 4 und 6 zueinander erlauben.

Zur Erhöhung der Genauigkeit der Vorrichtung ist die Scheibe 4 vorzugsweise so gekröpft, daß die Zeiger 12 (F i g. 7) in derselben Ebene wie die Fenster 5 liegen. Die Ränder 5a und 5b der Fenster 5 und die Ränder 12, und 12£> der Zeiger 12 sind abgeschrägt, so daß, wie aus den späteren Ausführungen hervorgehen wird, ein bezüglich der Achse schräges Einfallen der die Fenster beleuchtenden Lichtstrahlen keinen Einfluß auf das erhaltene Ergebnis hat.

Mit Hilfe der Befestigungsvorrichtung 8, 10, 11 kann die Welle 7 bezüglich der Hohlwelle 1 in eine solche Stellung gebracht werden, daß jeder Zeiger 12 bezüglich des entsprechenden Fensters 5 eine bestimmte Ausgangsstellung einnimmt. Wie aus dem Folgenden hervorgehet, ist es nicht erforderlich, daß die Positionierung der Welle 7 einer ganz bestimmten Stellung der Zeiger bezüglich der Fenster — beispielsweise genau in der Mitte der Fenster — entspricht.

Zweckmäßigerweise kann diese Stellung so gewählt werden, daß sich die Zeiger etwa in der Mitte dei Fenster befinden, falls der Motor und der Empfanget sich in beide Richtungen drehen können, oder sie kann so gewählt werden, daß sich der Zeiger in Nähe eine radial verlaufenden Fensterrandes befindet, wenn die Drehung nur in einer einzigen Richtung vor sich geht.

Es sei nun angenommen, daß jeder Zeiger 12 in dei Ausgangsstellung sich in der Mitte des entsprechender Fensters 5 befindet (vgl. F i g. 3 und 7), so daß die Breiter der beiden Fensterteile A"und Vgleich groß sind.

Bei einer Drehung in Richtung des Pfeils Finfolge des von der Hohlwelle 1 übertragenen Drehmoments, das eine elastische Verdrehung dieser Hohlwelle in derr zwischen der Befestigungsvorrichtung 8,10,11 und der Scheiben 4 und 6 befindlichen Bereich bewirkt, dreh sich die mit Fenstern versehene Scheibe 4 mit einer gewissen Verzögerung gegenüber der Scheibe 6, d. h also gegenüber den Zeigern 12, so daß das Fenster be der Drehung bei diesem gegebenen Drchmomen bezüglich des Zeigers 12 die Stellung 5| einnimmt Infolgedessen nehmen die beiden Fensterteile die Forrr ΛΊ und Vi an.

Beleuchtet man nun das Fenster mit einem flachen, ir

einer radialen Ebene liegenden Lichtstrahl C, der das Fenster durchquert und auf ein optisch-elektronisches Abtastorgan zu gerichtet ist, werden bei einer gleichzeitigen Drehung der beiden Wellen 1 und 7 ohne Übertragung eines Drehmoments zwei gleiche Signale α· ι und y (F i g. 4) erzeugt, während diese Signale bei einer Drehung unter Auftreten eines Drehmoments, wodurch das Fenster winkelmäßig in die Stellung 5| versetzt wird, iu x\ und y\ werden. Da die Drehgeschwindigkeit sich während des Abtastens des Fensters durch den Strahl G w sich praktisch nicht ändert, ist die Dauer dieser Signale proportional zur Breite der Fensterabschnitte X\ und V₁.

Die winkelmäßige Versetzung des Zeigers 12 gegen das Fenster 5 ist ein Maß für die Verdrehung der ι j Hohlwelle 1 gegen die Welle 7, die keine Verdrehung erleidet, so daß die Zeitdifferenz tx\ — ty\ — abgesehen von einer Konstanten, wenn die beiden Teile Xund Vin der Ausgangsstellung nicht gleich groß sind — ein Maß für den doppelten Versetzungswinkel ist, während die gesamte Zeit tx\ + ty\ ein Maß für die Breite des Fensters, bezogen auf die Drehgeschwindigkeit der Vorrichtung, ist oder, wenn die Breite des Fensters konstant und bekannt ist, eine Art Maßstab für diese dieser Drehgeschwindigkeit entsprechende Zeitdiffe- 2^Λ> renz ist.

Die F i g. 2a, 2b und 2c zeigen Ausbildungen der den Lichtstrahl G erzeugenden und aufnehmenden fotoelektrischen Tastorgane.

Das Gehäuse 19 dieses Tastorgans (F i g. 2a) besteht «ι aus einer Lichtquelle 14, die ein Lichtbündel erzeugt. Dieses Lichtbündel wird durch ein optisches System 15a und eine Blende 16a in einen flachen, radialen Strahl G umgeformt. Das optische System 15£> bündelt den aus dem Fenster austretenden flachen Strahl auf das η optisch-elektronische Abtastorgan 17 zu. Das Gehäuse 19 umgreift die Scheiben 4 und 6 in Höhe der Zeiger und der Fenster.

Bei der auf Fig.2b dargestellten Ausführungsform wird der flache Lichtstrahl G mit Hilfe einer Lichtleitung 18a erzeugt, die aus lichtdurchlässigen, in einer radialen Ebene ausgearbeiteten Fasern besteht, und anschließend durch eine zweite symmetrisch angeordnete Lichtleitung 18£> auf das Abtastorgan 17 zu gebündelt.

Bei der in Fig. 2c dargestellten Ausführungsform werden zur Analyse des flachen Lichtstrahls G nur Blenden 16 benutzt.

In der Praxis erhält man jedoch am Ausgang des Abtastorgans 17 nicht die auf Fig.4 dargestellten w theoretischen Signalformen. Beispielsweise kann die Drehgeschwindigkeit im Fall von Gasturbinen 20 000 U/min weit überschreiten, während das Abtastorgan 17 eine gewisse Ansprechzeit besitzt, so daß die Anstiegsund Abstiegsfronten der Signale keine steilen Fronten « sind. Ferner hängt die Höhe der Signale im wesentlichen von der Lichtdurchlässigkeit des Fensters S ab, die durch Rauch oder Dampf beeinträchtigt werden kann, beispielsweise wenn die Vorrichtung in einen Wärmemotor eingebaut ist. mi

Mit Hilfe der auf F i g, 5 dargestellten Schaltung kann die Dauer der Signale χ und y korrigiert und können diese in Form gebracht werden; hierbei gestattet eine logische Schaltung die Trennung dieser beiden Signale. Diese logische Schaltung (oberer Teil von F i g. 5) h^r> enthält ferner die Speicherregister und die Schaltungen zur Nullstellung nach jedem Durchgang eines aus zwei Impulsen χ und y bestehenden Impulszuges.

40

4^r> Die Schaltung besitzt ferner einen analogen Teil (unterer Teil von Fig.5), in welchem die χ und y entsprechenden Signale so behandelt werden, daß sie zu

tx , t ν

— und —

ι .ν + ty tx + ty

proportional werden, und anschließend subtrahiert und addiert werden.

Wie bereits gesagt wurde, ist die Differenz dieser integrierten Signale proportional zum Drehmoment, und, da sie auf die Summe tx+ ty bezogen ist, ist das Ergebnis von der Drehgeschwindigkeit unabhängig.

Die bei einer bestimmten Drehgeschwindigkeit theoretisch konstante Summe der Signale stellt ein Korrekturglied dar, mit dem die durch die Differenz dieser Signale erhaltene Angabe korrigiert werden kann. Sie gestattet die Korrektur der Linearität der Messung und der Ableitungen der Schaltung. Diese Summe wird nicht direkt benutzt, sondern mit einer konstanten Information derselben Art verglichen und liefert in der Schaltung 26 eine Spannung, welche die Höhe der Signale bei ihrem Ausgang korrigiert.

Diese auf analogem Weg erhaltene Spannung wird über eine Rückkopplungsschleife 67 an die diese Signale liefernden Schaltungen angelegt, so daß der Ausgangsverstärker 27 direkt den Wert des Drehmoments liefern kann.

Nach dieser allgemeinen Beschreibung der Aufgaben der Schaltung wird die Schaltung und ihre Arbeitsweise im folgenden ausführlich beschrieben.

Der Emitter und der Kollektor des Fototransistors 28 sind an die beiden Pole der Speisespannung angeschlossen. Die Signale xa und yo und ihre Umkehrungen λγο' und y_n' werden an den gleich großen Lastwiderständen 105 und 106 entnommen und werden den Eingängen des Verstärkers 29 zugeführt.

Das optisch-elektronische Abtastorgan, im vorliegenden Fall der Fototransistor, empfängt den das Fenster der sich drehenden Scheibe durchquerenden Lichtstrahl sowie eine Korrekturspannung mit einem im folgenden noch näher angegebenen Wert, die an die Polarisierungselektrode, im vorliegenden Fall an die Basis 103 des Fototransistors, angelegt ist.

Die Basis 103 ist ferner über einen einen Kondensator 104 enthaltenden Rückführungskreis mit einem Ausgang des Verstärkers 29 verbunden. Diese Rückführung kompensiert teilweise die Eigenkapazität des fotoelektrischen Eingangs des Fototransistors.

Die aus zwei Leitern 36a und 366 bestehende, verdrehte Leitung 36 verbindet die beiden Ausgänge des Verstärkers 29 mit den beiden Eingängen einer Schaltung 34, die als Differentialverstärker mit hohem Verstärkungsgrad wirkt.

Dieser Verstärker dient zur Umformung dieser Paare einander entgegengesetzter Signale in Rechtecksignale. Er empfängt diese entgegengesetzten Signale überlagert und wird ausgelöst, wenn die Höhen der einander entgegengesetzten Signale Xu und Xn durch Änderung ihrer Flanken in Querrichtung gleich werden, worauf ihre Differenz das Vorzeichen ändert. Eine Änderung der Neigung der Flanken der Signale wie eine Änderung der Höhe dieser Signale bewirkt also eine Änderung des Zeitpunktes, an welchem die beiden entgcgengcsctzlen Signale gleich groß werden, und als Folge eine Änderung der Dauer der Rechtecksignale * und y. Dieser Nachteil wird durch die im folgenden beschriebenen Rückkopplungsschaltung beseitigt:

Der Ausgang des Verstärkers 34, an welchem der

Signalzug /ί auftritt, ist einerseits mit dem am Anfang der dieses Signal auswertenden Schaltung angeordneten Umkehrgatter 35 und andererseits mit dem Eingang eines Verstärkers 100 verbunden. Die aus diesem Verstärker austretenden Signale werden sowohl unten als auch oben durch Zenerdioden 101 und 102 begrenzt. Diese Signale werden anschließend dem mit einem Integrationskondensator 73 gekoppelten Verstärker 75 eingespeist. Ihre Bezugshöhe wird mit Hilfe eines Potentiometers 74 eingestellt.

Der Ausgang dieses Verstärker- und Integrationsorgans ist mit der Basis 103 des Fototransistors 28 verbunden.

Infolge der Verstärkung der Signale Ä bei 100 und ihrer darauffolgenden Begrenzung besitzen die Rechtecksignale des Gesamtsignals Ä eine konstante Höhe oder Potentialdifferenz v.

Die mittlere Spannung des Verstärker- und Integrationsorgans ist somit zur Gesamtdauer tx+ty der beiden Signale X2 und yi der aufeinanderfolgenden Signalpaare proportional und zu dem zwei aufeinanderfolgende Gruppen dieser Signale trennenden Zeitintervall Tumgekehrt proportional.

Wenn ferner in dem Differentialverstärker 34 die Höhe des Schnittpunktes der Flanken der Signale xo und xa, yo und yd korrekt ist, entspricht die Gesamtdauer ix+ ty genau der Breite (bzw. der tangentialen Länge) des Fensters und ist wie die Zeit T umgekehrt proportional zur Drehgeschwindigkeit.

Mit anderen Worten, die mittlere Ausgangsspannung des Verstärker- und Integrationsorgans 75, die zu proportional ist, ist von der Drehgeschwindigkeit unabhängig und hat ferner einen konstanten Wert, wenn der Wert von gleich seinem ursprünglichen

Eichwert ist, d. h. wenn die Zeiten ix und iyden Breiten der Fensterabschnitte genau entsprechen.

Dieser Wert von

kann sich jedoch beispielsweise infolge von Störungen, wie beispielsweise Änderungen der Transparenz der Fenster, ändern.

F i g. 9 zeigt schematisch ohne Bezug auf ein bestimmtes Potential, wie sich ein umgekehrtes Signal Xo' mit drei zu diesem Signal unterschiedlich angeordneten, direkten Signalen Xo¹, xo und xo² schneidet.

Wenn die Schnitthöhe korrekt ist, hat die Dauer des dem ersten Fensterabschnitt entsprechenden Rechtecksignals in dem Gesamtsignal Ä den Wert ix. Wenn die Schnitthöhe nicht korrekt ist, ist die Dauer des Signals zu lang (tXa)oder zu kurz (tXb). Wenn die Dauer zu lang ist (tXii), ist das an die Basis 103 angelegte Korrektursignal höher als normal, wodurch der relative Potentialabstand der von der Kette 29, 26, 34 übertragenen, entgegengesetzten Signale verringert und folglich die Schnitthöhe auf die dem Wert ix entsprechende Höhe gebracht wird. Wenn die Dauer dagegen zu kurz ist (tXb), erhöht sich der relative Potentialabstand der entgegengesetzten übertragenen Signale und damit die Schnitthöhe.

Die Schaltung reagiert also bei beliebigen, insbesondere durch Änderung der Transparenz des Fensters bewirkten Änderungen der Amplitude der fotoelektrischen Signale so, daß zum Konstanthalten des Verhältnisses-^-=-^nicht diese Amplitude, sondern die

Höhe, in der sich die Fronten der entgegengesetzen Signale schneiden, korrigiert wird.

Die Korrekturspannung gestattet also bei einer beliebigen Drehgeschwindigkeit der Welle, deren Drehmoment gemessen wird, auf eine solche Weise die Bestimmung der Dauer der Signale χ und y, daß diese bei der betrachteten Geschwindigkeit für die Breite der beiden Abschnitte des Fensters genau repräsentativ sind. Ferner kompensiert diese Spannung die Fehler, die an jedem Punkt der Kette 28, 29, 36, 34 auftreten können, so daß insbesondere die Möglichkeit besteht, der verdrehten Leitung 36 eine beliebige Länge zu verleihen.

Die Variationen des das Fenster durchquerenden Lichtflusses können somit ohne Störung der Messer den Koeffizient 50 erreichen, während das optisch-elektronische Abtastorgan ohne Einstellung oder Störung ausgetauscht werden kann.

Die Elemente 29, 100, 101, 102 und 74 sind vorzugsweise in dem Gehäuse 19 enthalten.

Dank der verdrehten Leitung 36 kann die Schaltung 34 von dem Gehäuse 19 entfernt angeordnet werden (beispielsweise in der Flugzeugkabine, wenn die Drehmomentmeßvorrichtung an eine Flugzeugturbine angelegt ist).

Ferner gelangen die über diese Leitung aufgenommenen und übertragenen Störungen in derselben Form zum Differentialverstärker 34, der sie löscht und die verstärkte Summe der Signale xo und y_a und ihrer Umkehrungen xo' und yd liefert, die somit in Rechtecksignale umgeformt werden.

Auf F i g. 6a ist das am Ausgang des Differentialverstärkers 34 auftretende Signal Ä dargestellt, das aus einer Reihe von Signalen χ und y in Form positiver Rechteckimpulse besteht.

Das Umkehrgatter 35 bildet aus dem Signal A das aus den Signalen x' und y' bestehende Signal A (F i g. 6b), das den UND-Gattern 36, 37, 38 und 39 und dem zwei Kippkreise 21 und 22 speisenden Umkehrgatter 40 zugeleitet wird.

Der bistabile Kippkreis 22 ändert bei jedem Empfang einer aufsteigenden Front eines Signals Ä seinen Zustand, so daß er an seinen Ausgängen die beiden umgekehrten Signale B und B liefert, die aus den entgegengesetzten Signalen ζ bzw. z' bestehen (Fig. 6c und 6d).

Der monostabile Kippkreis 21, der aus zwei mit einer /?C-Schaltung gekoppelten Gattern 41 und 42 besteht, liefert über die Leitung 70 nach einer Zeit, die kleiner als die kleinstmögliche Größe der Zeitintervalle T(F i g. 6a) zwischen zwei aufeinanderfolgenden, aus Signalen χ, ζ bestehenden Signalzügen ist, dem Kippkreis 22 ein Rückstellsignal. Dieser Kippkreis bewirkt somit zur Sicherheit zwingend die Nullstellung des Kippkreises 22 nach jedem Signalzug.

Ausgehend von den Signalen A, B und B bewirkt die aus UND-Gattern 36 bis 39 bestehende Matrix 23 die Trennung der Signale χ und/. _

Die Gatter 37 und 39, denen die Signale A und B gleichzeitig zugeführt werden, lassen erst dann ein Signal durch, wenn diese beiden Signale gleichzeitig Null sind. Man erhält somit das Signal χ allein (F i g, 6e). Auf dieselbe Weise liefern die Gatter 36 und 39 das Signal yallein (F ig. 6f).

Die Höhe dieser Signale wird, wie im folgenden noch beschrieben wird, durch die durch die Gruppe 26 hergestellte Rückkopplung 67 gesteuert.

Jedes Gatter 36 bis 39 ist mit einem Leistungsgatter 43 bis 46 gekoppelt, das für die Dauer eines Signals χ oder yd'ie Zuführung einer positiven Spannung oder die

Verbindung der Leitungen m und η mit der Masse oder ihre Isolierung bewirkt.

Auf diese Weise ist die Leitung m (durch das Gatter 43) bei jedem Signal y positiv, anschließend bei jedem Signal χ mit der Masse verbunden (durch das Gatter 45) und schließlich außerhalb dieser Signale isoliert.

Umgekehrt ist die Leitung η während jedes Signals χ positiv, während jedes Signals y mit der Masse verbunden und die übrige Zeit isoliert.

F i g. 8 zeigt die Schaltung der Gatter 43 und 45, mit der dies erreicht wird.

Das Gatter 43 enthält einen npn-Transistor 77 und das Gatter 45 die npn-Transistoren 78 und 79. Der Ausgang des Transistors 77 ist mit der Basis des Transistors 78 verbunden, der ferner das Signal Ar des Gatters 37 direkt zugeführt wird. Das von dem Gatter 36 kommende Signal y wird direkt der Basis der Transistoren 77 und 79 zugeführt.

Tritt kein Signal auf, so ist keiner der Transistoren leitend, so daß die Leitung m isoliert ist

Bei Auftreten eines Signals χ leitet nur der Transsitor 78 und die Leitung m führt das durch die Leitung 67 und den Widerstand 80 bestimmte Potential.

Bei Auftreten eines positiven Signals y werden die beiden Transistoren 77 und 79 leitend, und die Leitung m wird durch den Transistor 79 mit der Masse verbunden, da der Transistor 78, der durch die an seine Basis angelegte Massespannung blockiert ist, nicht leitet.

Somit wird der Kondensator 47 während der Zeit tx über den Widerstand 48 geladen und anschließend während der Zeit ty über denselben Widerstand entladen.

Da die Gatter 44 und 46 ähnlich geschaltet sind, wird der Kondensator 49 auf gleiche Weise während der Zeit ty geladen und anschließend während der darauffolgenden Zeit f*über den Widerstand 50 entladen.

Da die Kondensatoren 47 und 49 und die Widerstände 48 und 50 gleich groß sind, sind die in den Kondensatoren 47 und 49 aufgenommenen Ladungen jeweils proportional zu

tx , tv

und - —

(x + ty tx + ty

und von der über die Leitung 67 zugeführten Spannung abhängig.

Die Spannungen dieser Kondensatoren werden dem Eingang zweier Verstärker 5t und 52 hoher Impedanz zugeführt, die aufgrund ihrer Rückkopplung und zusammen mit dem an ihren Ausganges: parallel j geschalteten Spannungsteiler 53, 54, 55, 5b einen Differentialverstärker hoher Eingangsimpedanz bilden. Dieser Teil stellt einen Rechner dar, der die Differenz bzw. die Summe der Ausgangssignale der Verstärker 51 und 52 ermittelt.

Die zu proportionale Differenz dieser Signale,

die am Knoten 57 entnommen wird, wird dem Verstärker 58 zugeführt und das an dessen Ausgang 59 auftretende Signal kann einem Anzeigegerät zugeführt

]) werden, das eine Skalenteilung in Drehmomentwerten aufweisen kann.

Die am Punkt 54 abgenommene Summe dieser Signale, theoretisch eine konstante Spannung, wird über den Widerstand 62 dem Eingang des kontinuierlichen Verstärkers 61 zugeführt. Aufgrund von Temperaturschwankungen und mit der Zeit auftretenden Abweichungen der Bauelemente ist diese Summe Schwankungen unterlegen.
Am Eingang des Verstärkers 61 wird dem bei 54 entnommenen Signal über ein Potentiometer 63 und einen Widerstand 64 eine Bezugsspannung überlagert.

Am Ausgang des Verstärkers 61 wird das Signal durch die Darlington-Schaltung, die aus zwei npn-Transistoren 65 und 66 besteht, stromverstärkt und

i« anschließend speist der Ausgang dieser Schaltung die Rückkopplungsleitung 67.

Der am Ausgang des Verstärkers 58 erhaltene Wert dieser Differenz der Signale wird somit durch die Abweichung des Wertes ihrer Summe von einer

r> Bezugsspannung korrigiert, so daß die Messung linearisiert und die Schaltung stabilisiert wird.

Ferner kann eine Korrektur in Abhängigkeit von der Temperatur des sich drehenden Teils der Vorrichtung vorgenommen werden, die eine Änderung der elasti-

4(i sehen Eigenschaften der sich verdrehenden Hohlwelle 1 bewirkt. Zu diesem Zweck wird in den Rückkopplungskreis des Verstärkers 58 eine aus einem Heißleiter bestehende Sonde 68 eingesetzt. Die Sonde befindet sich in Nähe der Hohlwelle 1 und wird von deren Temperatur beeinflußt. Diese Sonde kann in das Gehäuse 19 eingebaut sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen des Drehmomentes, welches von einer hohlen, elastische Torsionsverfor- > mungen erlaubenden ersten Welle übertragen wird, mit Hilfe einer koaxial zu dieser angeordneten zweiten Welle, die mit der ersten Welle an einer Verbindungsstelle starr verbunden ist, mit einer Scheibe, die mit einer der Wellen in axialem Abstand ι ο von der Verbindungsstelle verbunden ist und am Umfang wenigstens ein rechteckförmiges Fenster aufweist, das tengential zur gemeinsamen Mittelachse der beiden Wellen ausgerichtet ist, einem radialen, mit der anderen Welle verbundenen, das Fenster überquerenden Zeiger, so daß im Fenster zwei abfühlbare Bereiche begrenzt bind, deren Fiächenverhältnis abhängig ist von dem von der hohlen Welle übertragenen Drehmoment, einer ortsfesten Lichtquelle, die das Fenster bei jeder Umdrehung der beiden Wellen beleuchtet, und einem nahe dem Fenster fest angeordneten elektrooptischen Empfänger, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Zeiger (12) eine kleinere Breite als das rechteckförmige Fenster (5) hat, so daß die beiden beidseitig des Zeigers (12) gebildeten Bereiche (X, Y) für das Licht der Lichtquelle (14) durchlässig sind, der elektro-optische Empfänger (17) in an sich bekannter Weise hinter dem Fenster (5) und dem Zeiger (12) angeordnet ist, so daß bei jeder jo Umdrehung der Wellen (1, 7) zwei aufeinanderfolgende Lichtsignale durch den Durchtritt des von der Lichtquelle (14) abgegebenen Lichtstrahls (G) durch die Bereiche (X, Y) auf den Empfänger treffen, und daß der Ausgang des Empfängers an elektronische j5 Schaltungen angeschlossen ist, in denen die Differenz und die Summe der Zeitdauer der beiden Signale gebildet und als Maß für das übertragene Drehmoment die Differenz in das Verhältnis zur Summe gesetzt wird. to

2. Vorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wellen (1,7) über eine einen dehnbaren Hohlkegel aufweisende Einrichtung (8, 10,11) miteinander verbunden sind, die eine genaue winkelmäßige Festlegung ihrer Stellung gestattet.

3. Vorrichtung nach Anspruch I₁ gekennzeichnet durch einen einen flachen, in einer radialen Ebene liegenden Strahl (G), der die Fenster abtastet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem optisch-elektronischen Abtastorgan (28) umgekehrte Signale entnommen werden und in einem Verstärker (29) mit zwei Eingängen und zwei umgekehrten Ausgängen verstärkt werden, die mit einem über ein verdrehtes Kabel (36) in einer Entfernung angeordneten Differentialverstärker (34) mit hohem Verstärkungsgrad verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Differentialverstärkers (34) über einen ein Verstärker- und Integra- M) tionsorgan (75) enthaltenden Rückkopplungskreis mit einer Polarisierungselektrode (103) des optischelektronischen Empfängers (28) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Rückkopplungskreis am Ausgang des Differentialverstärkers (34) ein Verstärker (100) und anschließend ein Signalbegrenzer (101, 102) vorgesehen ist, der das Ausgangssignal dieses Verstärkers oben und unten begrenzt, wobei die mittlere Höhe des Ausgangssignals nach der Begrenzung mittels einer einstellbaren Bezugsspannung (74) eingestellt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zwei Eingänge und zwei Ausgänge aufweisende Verstärker (29) einen kapazitiven Rückkopplungskreis (104) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine logische Schaltung, die die den beiden Teilen eines Fensters entsprechenden Signale voneinander trennt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Schaltung mindestens zwei UND-Gatter (36 bis 39) enthält, an deren jedes das gesamte Signal und eines der beiden Ausgangssignale eines durch das gesamte Signal gesteuerten bistabilen Kippkreises angelegt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes eines der einem Fensterabschnitt entsprechenden Signale liefernde UND-Gatter (30—39) mit einem zweiten Gatter gekoppelt ist, das das andere, dem anderen Abschnitt desselben Fensters entsprechende Signal liefert, wobei das erste Gatter die Aufladung und das zweite Gatter die Entladung jeweils eines Integrationskreises (47, 48 bzw. 49,50) bewirkt.

W. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der beiden Integrationskreise (47, 48 bzw. 49, 50) an einen Differentialverstärker (25) angelegt sind, an dessen Ausgang (57) die verstärkte Differenz der beiden Eingangssignale entnommen wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die verstärkte Summe der Ausgangssignale der beiden Integrationskreise (47, 48 bzw. 49, 50) gleichzeitig mit einer Bezugsspannung (63) an einen Verstärker (61, 65, 66) angelegt ist, der eine Rückkopplungsspannung liefert, die zur Bestimmung der Ladungshöhe dieser Kreise an die beiden Integrationskreise angelegt ist, wobei die Entladungshöhe konstant bleibt.